Fisica de relâmpagos

Aula - 09

Scholand e seus colegas da África do Sul foram os

pioneiros a realizar medidas simultâneas dos processos

de um relâmpago, ou seja, eles fotografaram e mediram

o campo elétrico de um raio em 1934.

(a) Composite image of 41 selected

frames (from −123 to 9.8 ms) showing

the bidirectional leader, another floating

channel, and channel to ground. The

high-speed video record started at

−178 ms. (b–c) Low-gain and high-gain

electric field records (from −98 to

12 ms), respectively. No electric fields

were recorded prior to −98 ms. The

right, negative end turned toward

ground, likely due to the presence of

positive charge between 4.1 and 2.7 km

AGL. The left, positive end of the

bidirectional leader made contact with

another floating channel (the junction

point is labeled in (a) and the electric

field signature of the connection

process is seen in (c)) prior to the right

end’s making contact with the ground.

Note that some leader branches kept

extending to the right after the return

stroke onset. Individual-frame and

composite images of the rectangular

area seen in the upper-left corner of (a)

that show important features of the

bidirectional leader development are

presented in Fig. 2.

Tran, M. D. e Rakov, V. A., 2016. Initiation

and propagation of cloud-to-ground lightning

observed with a high-speed video camera,

Scientific Reports.

https://doi.org/10.1038/srep39521

No processo inicial de um relâmpago foi observado:

a) O raio descia em passos curtos e parava;

b) Após um intervalo de tempo pequeno (~ < 1 μs) um

novo raio se propagava para baixo e utilizava o

mesmo caminho do raio anterior, e assim se estendia

mais um pouco.

c) Este processo continuava até o raio chegar no chão.

Este tipo de raio é conhecido como “stepped leader” ou

líder escalonado (passos de ~50-100 m, o tamanho é

~ V/750, onde V é o potencia kV/m ).

Tran, M. D. e Rakov, V. A., 2016. Initiation

and propagation of cloud-to-ground lightning

observed with a high-speed video camera,

Scientific Reports.

https://doi.org/10.1038/srep39521

As ramificações ocorriam, mas não chegavam ao chão.

A medida que o raio líder escalonado se aproxima do

chão (~ 5 – 50 m), um raio se propaga do chão para o

raio (raio conectante).

Quando o raio conectante se conecta ao líder

escalonado, temos a formação da descarga de retorno

que é bem mais luminoso, e é também conhecido

como “return stroke”.

https://www.weather.gov/jetstream/lightning_max

Analisando a Figura 75, observamos que o campo elétrico

diminui a medida que o líder escalonado se aproxima do

chão, enquanto que o campo elétrico aumenta se

estivermos a uma distância grande. Quando o raio líder se

conecta ao chão e temos uma descarga de retorno o campo

elétrico aumenta rapidamente para valores positivos.

Esta configuração implica que

as cargas negativas são

transportadas para o chão

através do canal do líder

escalonado e as cargas

positivas são transportadas

para cima quando ocorre a

descarga de retorno.

a) Caracteristicas dos relâmpagos ou flashes

“Flash” é uma definição utilizada para caracterizar um

evento de relâmpago formado pelo raio líder escalonado,

descarga de retorno e descargas sub-sequentes (dart-

leader). Sendo que em geral um flash pode ter várias

multiplicidades (uma descarga de retorno e várias

descargas sub-sequentes).

Mínimo Médio Máximo

Número de descargas 1 3 32

Intervalo de tempo

entre as descargas

(ms)

3 40 100

Duração do Flash (s) 0,02 0,2 2

Carga Transportada

(C)

3 25 90

: http://www.odec.ca/projects/2005/schu5s0/public_html/lightning.html

Florida-EUA

Novo México - EUA

http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo589/ATMO489_online/lec

ture_15/lect15_lightning_pt2.html

b) Mecanismos de ruptura na atmosfera (“breakdown”)

Os raios tem comprimentos da ordem de vários

quilômetros. Se houver uma descarga da nuvem para a

terra, uma voltagem grande será necessária para ter a

ruptura.

Teorias sugerem que as

descargas do tipo nuvem

terra (NS ou CG) ocorrem

a partir de uma descarga

local na nuvem entre os

centros de cargas

positivo e negativo. Esta

descarga daria

mobilidade para o centro

de cargas negativo e para o movimento descendente.

A partir de medidas de laboratório os seguintes fatos

foram observados:

i) O campo elétrico para a ruptura é da ordem de

300 kV/m para um campo uniforme em condições

atmosféricas de T e P de um sala (30ºC e 1000 mb).

Porém para um campo elétrico não uniforme o campo

elétrico é muito menor.

ii) os elétrons estão sempre presentes no ar devido aos

raios cósmicos e radioatividade natural.

Quando ocorre a ruptura, os elétrons

são acelerados a uma energia suficiente

para produzir a ionização através da

colisão com as moléculas do ar o que

acaba produzindo novos elétrons.

átomos

elétrons

iii) quando os elétrons são produzidos por processos

primários, um segundo processo ocorre.

Dessa maneira, mais ionização é produzida através da

colisão de íons+ e prótons disponíveis no ar o que

desencadeia uma avalanche de elétrons durante a

ruptura do campo de intensidade.

Além desses processos são necessários também campos

de cargas de espaço que aumentam a condutividade da

região.

c) Lider Escalonado

Existem 2 tipos: α e β

diâmetro do canal ~ 1-10 metros (estimado por fotografia)

corrente de vários amperes o que induz uma corona

muito luminosa

d) Descarga de retorno

Quando a ponta do líder

escalonado que esta

carregado negativamente

chega ao chão, a carga

deste raio é transferida

rapidamente para o chão.

Canal do

lider

Negativo

Elétrons são

ejetados na

ponta da

ramificação

positiva

ramificação

positiva

Canal do

lider

Negativo

Elétrons são

ejetados na

ponta da

ramificação

positiva

ramificação

positiva

No ponto B observa-se um

campo elétrico alto criado

pelos elétrons livres que se

propagam na ponta da raio

e avançam na descarga

positiva.

A medida que os elétrons se

movem a uma velocidade

alta, eles geram uma

avalanche de elétrons que

ionizam e aquecem o ar no

caminho e deixam para trás

um canal altamente

ionizado.

Canal do

lider

Negativo

Elétrons são

ejetados na

ponta da

ramificação

positiva

ramificação

positiva

Como resultado, um fluxo de

cargas posivitiva se moverá

para cima a uma velocidade

alta apesar dos íons positivos

serem relativamente imóveis.

Desta forma, eles neutralizam

as cargas negativas na região

vaporizada e nas ramificações

do lider escalonado.

Canal do

lider

Negativo

Elétrons são

ejetados na

ponta da

ramificação

positiva

ramificação

positiva

Durante a transferência de

cargas, uma energia

considerável sobre o núcleo é

adicionada, logo a temperatura

aumenta.

Análises espectrais indicam

que o núcleo pode chegar a

T ~ 30.000 K.

Como consequencia, a pressão aumenta (a densidade

de massa não pode aumentar apreciavelmente). Logo

a pressão cinética do canal excede a pressão do ar.

Consequentemente, o canal expande a velocidades

super-sônicas, produzindo ondas de choque cilíndricas

as quais eventualmente produzem um trovão.

Trigado-T

Natural-N

N1 = # de 1º Strokes

Ns = # de strokes

Subsequentes

Vel ~108 m/s

N = 1,2-1,5 x Vel Trigado

e) Lider sub-sequente (Dart-Leader)

Se as cargas negativas não são transferidas

inteiramente durante uma descarga de retorno, o

líder sub-sequente tomará lugar e se propagará no

canal anterior do relâmpago a partir da nuvem para

o solo.

http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo

589/ATMO489_online/lecture_15/lect15_lightning_pt2.html

Vel ~104 a 107 m/s

Canais horizontais e streamers

Lider Escalonado

Vel ~105 a 107 m/s

Dart Leader

Vel ~ 107 m/s

National Geografic

https://www.youtube.com/watch?v=h-0gNl5f4BU